CN1459045A - 双稳态液晶设备 - Google Patents

Abstract

在一个液晶设备中，一个衬底(1)支持至少两个稳态或亚稳态的不同方向的液晶对准，开光装置用于使液晶材料在各对准之间切换，该开关装置包含对所述设备进行光照的设备。后者可以提供线偏振光(3)，用于在液晶上引入一个扭矩，以确定对准方向，并可有选择地与一个诸如电场(V)之类的第二能源装置合作，用于协助和切换。或者，液晶的对准可以是由诸如一个电场之类的第二能源装置切换的，光照的作用是产生热量以协助该切换。两个能源之一或双方都可以是局部施加的，以转换选定的区域或像素。通过使用低聚物添加剂(光滑表面)，可以调整双稳衬底的能级。从文中可以看到，一个对置衬底(2)表面的对准可以依照衬底(1)的对准(可选择地)。

Description

双稳态液晶设备

本发明有关液晶设备，特别有关空间调光器。

已知在一个液晶主材料中，混合有各向异性的二色性材料，或染料，和/或提供这样的液晶材料，其中至少一个液晶组件具有明显的二色性。在一种被称为“客-主”类型的设备中，客染料分子与主液晶材料的分子协同对准。液晶对准方式的改变(例如通过一个电极的应用)会使染料分子重新定向，从而改变该设备的光学特性，特别是吸收性和颜色。

不过，也有可能操纵这些分子，例如，使染料分子曝光于该染料吸收带内的线性偏振光，从而影响液晶的对准。偏振光试图产生染料分子的有效的重新定位，该重新定位又会在液晶主材料上产生一个小的扭矩，迫使其方向偏离入射光线的偏振方向。在液晶分子直接吸收偏振光线的地方，会出现一个类似的效果，但此时没有染料的调解作用。

已知与一个衬底表面相邻的一个液晶相位的对准特别是由该衬底表面的特性决定。尽管一个衬底的表面一般都是经过处理的，例如刮去一个高分子膜，或通过蒸汽沉积，以便在其表面得到一个单一的能量最佳类型的对准，已知可以对一个衬底的表面进行处理以使其上有不止一个能量有利的对准。通过在能量上有利的对准之间插入能量上次有利的对准，可以将这些有利对准分开，即，在有利对准之间存在一个能垒。有利对准在能量上可以相等或不等，或者相对于所插入的对准来说是同等有利的，并且，如以下将解释的，对能垒的高度有一定程度的控制。在某些情况下，特别是当第一对准比第二对准在能量上稳定的情况下，能垒相对于第二对准来说可能足够低，因此，响应于周围的或提供的光能，可能出现向第一对准的松弛，因此，第二对准可被认为是亚稳态的。

在至少多数情况下，表面将会接受与每个稳定对准相对应的处理。可以对每种对准可以使用同一类处理，例如，两个不同地对准的光栅，或来自两个不同角度的斜的蒸汽沉积，或者，可以为不同的对准使用不同类型的处理，例如，一个表面起伏模式(例如一个平面对准的光栅)，及一个材料的涂层，以得到等向性对准。

因此，在一个衬底表面提供至少两个有利对准的一种方式是提供一个合适的表面起伏模式，例如，在一个公共区域上向不同方向延伸的两组平行线(光栅)。根据深度，所得到的模式可以从一列平坦表面上的隔离的圆柱变化到一个平稳变化的“蛋盒”模式。一般，每组平行线之间的间距大约为1微米，对于两个有利对准来说，两组平行线之间可以以90°或一个较小的角度相交。可以认为，最佳液晶相位对准的两个方位方向相差一个相对应的角度。这类对准被称为“方位双稳态”，其详细描述见于UK Patent No.0744041。

在另一个方式中，衬底包含一个诸如一维正弦光栅之类的表面起伏模式，它能为一个预定方向上的平面对准赋予稳定度。一般，在高度上，光栅的表面波纹是1微米或更小，并且是利用照相平版或轧花形成的。光栅表面提供有一个涂层，以引起相邻液晶材料的等向性对准。

在定义邻近液晶的整体对准时，等向性对准涂层和表面起伏模式互相对抗。根据光栅深度是远大于还是远小于其间距，该对准趋向于等向性或平面，不过，通过对深度-间距比例进行裁剪，使其位于这两个极值之间，可以进入一个双稳态区域，其中，每种对准都具有一定程度的稳定性(随着对准方向的变化，与各自的能量最小值相对应，如图1中所概略描述的，图1中是能量-液晶倾斜角度的一个图形(只举例显示了位于一个平面对准能量最小值两侧的等向性对准能量最小值)。这两个对准方向可以有同样的方位方向(即在同一方位平面内)，也可以有不同的方位方向。通常，两种类型的对准的能量最小值可以相等也可以不等，在后一种情况下，两种对准都具有与更有利对准相对应的更低的能量最小值-这一部分上是由表面起伏模式的深度-间距比例决定的。

尽管在获得倾斜角度的双稳性时，表面起伏模式的准确轮廓不是非常重要的，但它对两个最佳对准间的能垒有影响，和/或对相关联的平面对准能量最小值有影响。应指出，图1是一个较普通情况的例子，其中，两个稳定方位(不是必须为平面和等向性)，有不同的“倾斜”和“方位角”值，并且，本发明并不局限于图1中的情况，而是可以扩展到更通用的情况。

在这种安排方式下，“平面”对准有时会包括一个相当高的倾斜角度，有时将其称为缺陷状态，因为其特点是液晶中的一对行缺陷或向列方向。具有稳态的平面和等向性状态(其中的液晶方向在同一方位平面内)的安排方式被称为“天顶稳态对准”，其详细描述见于我们的UK专利第2318422号和我们已公布的专利PCT/GB98/03787(WO9934251)。

应该理解，其它的稳态表面将拥有至少两个有利的对准方向，它们的天顶角和方位角都互不相同。例如，二氧化硅可以是从两个不同的方向倾斜堆积的，这两个方向在天顶和倾斜角度上都不同。

尽管以上已专门介绍了利用照相平版或轧花(举例来说)形成的光栅形式的表面轮廓，但也可以使用其它方法来提供一个表面轮廓，例如通过斜向蒸镀。另外，尽管以上专门介绍的两个双稳对准都涉及一个表面轮廓，但后者并不是在一个衬底上提供多个稳态对准所必需的。可以使用任何其它的安排方式，只要其中有多于一个能量上有利的对准，可以和上述交叉光栅实例一样，为每个优选方向采用的相同的技术，也可以和上述光栅和等向性表面处理的实例一样，为每个优选方向采用不同的技术。

另外，并不是绝对要求衬底表面的每部分都支持这两种对准。例如，对一个衬底的每两组混合的经适当划分尺寸和/或定形的区域进行处理，产生不同的对准，因此，这两个对准之一，一旦被一组区域采用或支持，则将胜过另一组区域所支持的对准。因此，可以对两组相互交错的条形区域进行不同的处理，以便为其中的一组生成一个有利的平面对准，并为另一组生成一个有利的方向不同的第二平面对准或一个等向性对准，所用的处理方法可以是上面提到的任意一种技术，例如表面处理，涂覆和/或压型。

通过仔细挑选液晶材料，包括提供该液晶材料的合适添加剂，并如以上所表明的，以已知方式适当地挑选和/或处理衬底表面，有可能控制两个最佳对准状态之间的能垒。还有，在包含一个介于双稳(或多稳)衬底和另一个衬底之间的液晶材料涂层的一个集成设备中，在一个衬底表面上所施加的对准可以改变另一个衬底稳定状态的能量。

在改变一个液晶相位和一个表面的相互作用方面，当今的发展进入一个被称为“光滑表面”的阶段，其描述可见于国际专利应用PCT/GB98/03011(WO 9918474)(Hewlett-Packard)。液晶材料的一个添加物，一般是一个低聚体，提供了大的分子，这些分子趋向于集中在衬底表面附近。可以认为，所得到的远离衬底的液晶相位的反方向积聚坡度会减弱该衬底和/或其上的任意对准层与液晶材料之间的相互作用，并相应地减弱改变邻近的液晶材料的对准所需的能量，该邻近的液晶材料的对准是由衬底和/或其上的任意对准层引入的。事实上，在某些浓度，这样一个添加物会允许一个平面对准的表面具有对准方向上的完全退化。这种添加物的出现有利于实现本发明，它能减小一个衬底的表面所引入的两个或多个互相不同的优选对准之间的能垒，例如，如前面所描述的。

本发明提供了一个液晶设备，该设备包含与一个衬底的表面相接触的液晶材料，所述表面支持至少第一和第二种稳态的或亚稳态的液晶对准，这些对准具有各自的第一和第二不同方向，该装置还包含开关装置，用于使液晶材料在所述对准之间转换，其中所述开关装置包含用于照亮所述设备的照射装置。本发明还有关一个包含这样一个设备的显示屏，并有关一个显示或光学系统，其中包含多个平铺在一个公共平面上的这类设备。

本发明还提供了一种方法，用于控制与一个衬底表面相接触的液晶材料的对准，所述表面支持至少第一和第二种稳定的或亚稳定的液晶对准，这些对准具有各自的第一和第二不同方向，该方法还包含用光照射所述设备的步骤。

来自照射设备的光线提供了该设备的第一能量输入，并会直接或间接地作用于液晶材料。因此，在本发明的有些实例中，一个无偏振的光束自身就有可能提供足够的热能，使液晶材料从一个如前面所说的亚稳态的对准转换到一个更稳定的对准；或者，如以下将要详细介绍的，该热能可能足以破坏现有的对准，或液晶相位，因此，在一些其它能量输入(例如一个电场或磁场)的定向影响下，优先采用一个第二对准。

在本发明的其它实例中，该光线可以是线性偏振的，以便直接或间接地在液晶分子上施加一个有效的扭矩，或使第一和第二种对准之一在能量上比另一个更有利(这可被认为是有效旋转)，如本技术中已知的。

例如，一个包含诸如偶氮化合物，芪，或一个Schiff基之类的双键链的材料通常有一个低能的反式异构体和一个高能的顺式异构体。该双键吸收波长在可见光范围内或接近可见光范围的光线，但优先吸收相对于该双键的一个方向上偏振的光线，并且该材料是正二向色的。在激发状态，分子会经历一系列变化，导致到顺式异构体的转变。随后到能量有利的反式异构体的松弛会导致一个类似初始对准的分子对准，或者导致一个相对于初始对准旋转的对准。在等方性条件下，初始和旋转对准没有区别，但在偏振照明的情况下，反式异构体的对准之一优先吸收光线，最终导致多数分子以反式方向结束，它能最小化入射偏振光线的吸收。

在图2中概略示出了一个典型的事件序列，其中，(a)显示了在能量有利的反式状态下，处于其初始对准状态的一个偶氮分子，并且，(b)显示了由于吸收偏振光线hvl所引起的更高能量的顺式状态。借助于包括热和辐射机制(hv2)的一些机制中的任一种，分子(b)会转换到初始状态(a)，或进入一个反式状态，该状态中，长分子轴的方向已被有效地旋转(尽管如图所示，这并非纸面上的一个真正旋转，但读者可以领会，分子相对于长轴的旋转在能量是相当容易的，并且，其出现与否无论如何与要引入的液晶对准是无关的)。

例如，在照射光的光谱成分包含液晶材料的一个吸收波段时，它可以直接作用于液晶材料。因此，后者需要不包含二向色添加物，以使得液晶对准可以改变。不过，吸收光谱在照射光线光谱之外的一个二向色添加物可用作其它目的，例如，可以在客-主可变吸收/颜色设备中展现一个期望的光学变化。

或者，液晶材料的形式可以是一个液晶基片中的一个二向色添加物。其中，照射光的光谱分量包含该二向色添加物的一个吸收波段。在这种情况下，二向色添加物直接响应于照射，从而在液晶材料上施加一个有效的扭矩。

尽管以上参照了正二向色材料，该正二向色材料倾向于使液晶材料的对准与光的偏振方向横切，不过，本发明还可以使用负二向色材料，它倾向于旋转液晶材料，以使其与偏振方向平行。

偏振光线引入的直接或间接扭矩自身可能足以克服优选对准之间的能垒。不然的话，可以修改液晶材料和衬底之间的相互作用，以减小能垒，从而使光能输入足以克服该能垒，或者可以输入一个辅助形式的能量以协助该再对准。

对于第一种方法，以前的描述中已概略讨论了两种减小对准之间的能垒的途径，即，通过修改表面几何，及插入一个添加物以提供一个“光滑表面”，在执行本发明时，可以使用这两种措施之一或使用这两种措施。

对于第二种方法，除了来自照明装置的光线所提供的能量之外，还向液晶材料输入能量，以协助该再对准。在液晶材料是液晶主-客添加材料的情况下，合作对准的意思是，能量或是提供给主材料，或是提供给客材料，不管它们中哪种材料是由偏振光线给予能量的。

第二能量本身可能足以改变液晶材料的对准，尽管最终的对准依然是由照明装置的光输入决定的(见两段之后的情况A)，或者，再对准可能需要照明装置的光学输入与辅助能量输入协同工作(见两段之后的情况B)。

为一个液晶材料提供能量以改变其对准方式的方法很多，包括一个电场或磁场的应用，一个电流的通过(离子传输)，和声辐射。

在这些方法当中，电场的应用可能是最简单的实现方法，并且通常是最有效的。例如，在液晶对准要在第一和第二均(平行)态之间转换，并且具有正的介电各向异性的地方，在处于第一状态的涂层厚度两侧施加一个电场以引入一个同向性(正交)对准，会使液晶材料在一个合适方向的线性偏振光线的影响下，在中止电场时优先呈现第二状态(情况A)。事实上，即使该场自身的大小(或其它任何能源装置效果的大小)不足以产生一个替换的对准，在提供偏振光线时，原始优选对准的能量也会被提高得足够高，以协助液晶材料再对准到第二对准状态(情况B)。

当该涂层被夹在两个衬底之间时，每个衬底可以携带一个持续的电极以提供一个跨越该涂层厚度的电场。每个持续电极(或两个)都可由同样目的的一个交叉电极代替，特别是当交叉电极的两部分都是以同样的方式加电时。

一个交叉电极还可被用于在涂层的平面上提供一个场。例如，具有两个最佳对准方向的衬底上的一个交叉电极可被用于改变一个正的介电各向异性液晶材料的平面对准方式，以使其位于或接近优选对准之间的一个最大能量状态。在出现具有合适的偏振方向和强度的线偏振光线时取消该场，会使液晶松弛到由偏振方向所决定的优选对准。

在许多情况下，由照射光线的偏振方向可以单独决定所得到的液晶对准，特别是在没有提供其它能源输入的时候。在有第二能量输入，但该第二能量输入没有能够影响所得到的对准的方向特性时，这种情况依然适用。

不过，在某些其它情况，该第二能量输入是方向性的并且能影响所得到的对准，例如一个电场。当不希望这样时，在关闭照射光线之前，通常应停止该第二能量输入。

或者，如果希望的话，可以在照射光线停止后，保持该第二能量输入，使所得到的对准由该第二能量输入决定。

另外，当照射光线无偏振时，它自身不能确定所得到的对准。在这种情况下，决定最终对准的是第二能量输入，照射光线则用来执行次要但必须的协助再对准的功能，例如直接或间接地加热液晶材料，例如通过液晶材料(或液晶材料的一个成分，或一个液晶单元的另一个成分)的光学吸收。

在许多情况下，同一类方法(包括从照明装置提供一个输入)可被用于在两个方向上都有利的对准之间进行转换。不过，在其它情况下，假如至少一个转换方向涉及来自照明装置的照明，则不同的方法将被用于不同的转换方向。

在优选对准的能量最小值不相等的场合，以及一个对准是亚稳态，从而使能垒随转换方向而变化的场合，更是如此。例如，一个方向上的转换(从较差的稳态或亚稳态方向开始)，可能只需要来自照明装置的无偏振或偏振光。反方向上的转换则需要一个第二能量输入，例如一个电场，该电场单独使用或与来自照明装置的合适的光线结合使用。或者，一个方向上的转换可由一个第二能量输入实现，反方向的转换则须由该第二能量输入和来自照明装置的合适的光线结合实现。

可以局部使用来自照明装置的光线，以便在该设备的整个区域上产生不同的对准。在还需要一个诸如电场之类的第二能量输入的地方，该第二能量输入也可局部使用，从而能够在任何时刻，只对该设备的一个限定区域写入。在这种情况下，照明和第二能量输入之一可被到处使用，另一个则被局部使用，因此，由该局部输入确定哪些区域要转换。或者，两个输入都可被局部使用，其分布可能不同，因此，只有出现两个输入的区域被转换，即一个AND逻辑功能。对专业人员来说，可以出现其它逻辑安排。

这一改变该设备选定区域的能力意味着它可被用于一些目的，包括显示和光学数据处理。例如，在我们同时申请的国际专利应用第PCT/GB98/01866(WO 9900993)中描述了一个自动立视镜显示器，其中列出了一个显示器集合，在国际专利应用第PCT/GB9 8/03097(WO9919767)中显示了用于全息目的的一个单个显示器集合。

通过附加的权利要求，并参照附图及对被发明实例的详细描述，将会清楚本发明的其它特性和优点。附图中：

图1描述了在一个天顶双稳表面上，能量随液晶材料天顶角的变化；

图2概略描述了光线在一个偶氮化合物上的作用；

图3(a)到3(d)概略例证了以下实例2的操作，该实例使用的是一个方位角上双稳态的表面；

图4和5是电压-时间图，举例说明了实例2的单元响应；

图6和7是电压-时间图，进一步举例说明了实例2的单元响应，及该实例中对所加电场的需要；

图8概略显示了一个天顶“双稳”表面，它具有一个相对于图1来说改变了的能垒，因此，它是有效单稳的；

图9(a)到9(c)例证了结合图8的表面的液晶单元的操作；

图10大体上类似于图1，用于例证连带的电学和光学定位。

实例1

一个包含二向色添加物的液晶材料层被夹在第一和第二衬底之间。第一衬底具有一个方位角双稳表面对准(两个稳态，或者，如果期望的话，具有不同方位方向的平面对准)的表面起伏模式，第二表面包含一类未摩擦的聚合体表面，该类表面一旦被摩擦，会支持平面对准。该液晶材料包含足够浓度的光滑表面添加物，以允许第二衬底表面(平面)对准的退化，但不足以破坏第一衬底表面对准的双稳性。这一结构意味着，第一衬底表面的两个双稳态对准都能在液晶表面生成一个相应的具有一个不同方位方向的均衡的平面纹理。

对液晶材料施加足够强度并具有一个合适的偏振方向的线偏振光，足以将一个均一的平面纹理转换为另一个，或反之。偏振光的强度将由双稳对准间的能垒决定，还由第一衬底的表面几何，光滑表面添加物等因素确定。实例2

实例2类似于实例1，不过，(a)双稳对准之间的能垒幅值较大，因此，偏振光线自身不足以引起两个平面纹理之间的转换(或者，如果能够利用一个足够强度的偏振光源引起转换，这对于该单元来说是有害的)，(b)每个衬底都配有一个持续的电极，用来提供一个跨过液晶表面厚度的场。在提供一个足够强度的场以引起液晶层中的一个等向性对准，随后又在出现线偏振光时撤销该场时，第一衬底液晶材料的对准就会松弛到由偏振方向所决定的优选对准。

图3(a)到3(d)概略描述了该实例的操作，其中的单元包含一个液晶涂层3，该涂层位于一个提供衬底1的方位双稳第一电极和提供衬底2的一个(未对准)第二电极之间。图3(a)到3(c)覆盖了一个周期，在该周期内，提供了线偏振照明L(有效地在液晶分子上引入一个扭矩)。在该周期内，图3(b)，在该单元上提供一个电场，即在衬底的电极之间提供一个电位差V，以产生一个等向性方位。一旦取消该场，衬底1的对准会松弛到由照明L的偏振方向所决定的对准，图3(c)。双稳衬底的液晶方位经整个液晶层传递到另一个衬底，如那里的光滑平面效应所允许的，图3(d)。

该实例的优点是，只有在加一个电场的时候，该设备才能被更新，否则的话是稳定的。有可能这样安排，即，使该电场本身足够产生等向性方位，以便随后松弛到由施加偏振光所决定的一个状态。通过利用不同的光学偏振有选择地照射不同的区域，可以写一个图像。

不过，也可能这样安排，即只让液晶中那些可由光和电定位的部分处于等向性状态，在这些情况下，该单元的选择性空间光定位使得只有该单元的选定区域被写入和锁定，这就增加了利用一个单电极对写一个复杂图像的可能性，例如，写一个高密度图像和图像或数据存储器。

在一个试验中，通过用蚀刻铟锡氧化物涂覆一个干净玻璃衬底，准备一个方位双稳的光栅表面。Shipley Europe Limited所提供的一个光阻材料微沉积S1805被旋转涂覆在该涂层上，形成一个标称为0.5微米厚的涂层。放置一个1微米行距的二元光栅掩模，使其与该光阻相接触，并利用一个宽带UV光源(365nm，404nm和435nm，大约150mJ/c)对其曝光。随后该光栅被旋转90度并对其重复曝光。已曝光光阻按规范曝光之后，用UV光软烘烤15分钟(大约9mW/c 的254nm光线)，并在180℃下硬烘烤2小时。利用上述衬底和一个经类似处理的衬底(不过，其中的光阻未经曝光以生成一个光栅)构造一个单元。衬底间的缝隙标称值为5微米，利用Merck的一个标准混合剂E63填充，该混合剂在室温下有一个向性的相位。向该混合剂内添加重量为百分之二的二色性染料D2(该染料同样来自Merck)，和重量为百分之二的低聚物3M Flourad FC430，来自3M Belgium N.V.该染料在487nm有一个峰值吸收率，在接近600nm处降为零。

一个在该单元显示一个1m  高斯束剖面图的20mW氩离子激光器(448nm波长)被用于通过一个可旋转半波平面来定位该单元，以控制其偏振方向。利用一个来自一个5mW HeNe激光器(663nm波长)的线性偏振光束，加上一个线性起偏振器(该起偏振器聚焦在该单元的一个区域内，该区域小于该氩离子激光器的聚焦区域)，来监测该单元的光学反应。利用一个配有一个线性综合器和一个陷波滤波器(用于排除除HeNe之外的所有可见波长)的光电二极管来检测633nm光的发射强度。该设备是利用一个双极电脉冲定位的，该电脉冲将该单元切换到一个等向性状态。互相成90度方向的双稳液晶单元被设置为垂直和水平的，而偏振器和综合器分别被设置为正和负45度。由于在交叉偏振器之间，稳态具有视觉上的等效传输，因此，在该单元后插入一个四分之一波片，以区分两个状态。

在图4和5中举例说明了该设备的切换，其中，显示了在大约50秒的周期内，作为时间t的一个函数的传输T。在施加垂直方向(图4)或水平方向(图5)线性偏振的488nm照明期间，还施加一个80mV10微秒的双极电脉冲VP，该脉冲触发示波镜的数据收集。随后，在大约5秒钟后，在点T1处取消照明，会使液晶松弛到(可能经过几百毫秒)一个最终的方位，由图4和图5最后部分的对照可见，通过挑选488nm照明的偏振方向，可以选择该最终方位。

参照图6和7，可以更深入地了解该单元的特性，图中显示了在一个大约200秒的时间区间内，传输T随时间t的变化。在图6中，该单元经历了以下一系列步骤：

11.水平偏振光打开。

12.提供电压脉冲。

13.水平偏振光关闭。

14.水平偏振光打开。

15.提供电压脉冲。

16.水平偏振光关闭。

17.垂直偏振光打开。

18.提供电压脉冲。

19.垂直偏振光关闭。

20.垂直偏振光打开。

21.提供电压脉冲。

22.垂直偏振光关闭。

由图中可见，重复定位循环(即步骤4到6和10到12)没有净效应。不过，当执行一个指定一个新方位的定位循环(如步骤17到19)时，液晶对准改变到一个第二稳定状态(步骤18)。

图7举例说明了对电压脉冲的需要并显示了以下事件序列：

31.水平偏振光打开。

32.提供电压脉冲。

33.水平偏振光关闭。

34.垂直偏振光打开。

35.垂直偏振光关闭。

36.垂直偏振光打开。

37.提供电压脉冲。

38.垂直偏振光关闭。

步骤31到33中，提供水平偏振光照明并非要影响该单元的状态，而是要确保该单元处于水平偏振照明所引起的状态中。同样地，在步骤34和35，不加电压，只提供垂直偏振照明，并不改变该单元的状态。不过，在步骤36到38，在垂直偏振光线照明期间插入一个电压脉冲37，会触发一次状态的改变，并且，在步骤38取消照明时，液晶对准改变。实例3

在第一和第二衬底之间夹一个包含二色性添加剂的液晶材料层，第一衬底具有这样一个表面起伏模式，该模式提供方位双稳表面对准，第二衬底包含一个聚合体表面，该表面被摩擦，其上形成与第一衬底的最佳对准之一平行的平面对准。该第二衬底的平面对准持续不变，因此，在该设备的一种状态，整个液晶层存在一个一致的平面结构，在另一种状态，液晶是扭曲的。液晶材料还包含一个手性添加剂，以使一致和扭曲状态的能量大致相等，从而在施加合适线性偏振方向和强度的光线的条件下，实现这两种状态之间的切换。

该液晶材料还可以和实例1和2中一样，包含一个光滑表面添加剂，但并不是这样一个高的浓度，使第二表面的平面对准无效，并且/或者，该设备还可以和实例2中一样，包含电极以便在该涂层的两侧提供一个电场。实例4

在第一和第二衬底之间夹一个包含二色性添加剂的液晶材料层，第一衬底具有一个提供方位双稳表面对准的表面起伏模式，第二衬底包含一个聚合体表面，该表面被摩擦，其上形成第一衬底的最佳对准之间的平面对准。其结构是，在穿越该涂层厚度时，该对准在一个方向或另一个方向上扭曲，这是由第一衬底所采用的对准决定的。

该设备两个状态的能量最好充分相等，尽管这是由第一衬底的最佳对准之间的能量关系决定的。第二衬底的对准最好充分平行于与第一衬底的优选对准之间的能量最大值相对应的方向。在第一衬底上两个优选对准的能量相等的地方，这一方向可以是在优选对准之间的。在第一衬底上两个优选对准的能量不相等的地方，这一方向可以是也可以不是在优选对准之间的。不过，假如偏振光(和任何其它能量输入)的强度不足以引起重新对准，则第二衬底的对准可偏离理想位置。

或者，液晶材料可以象实例1和2中那样，包含一个光滑表面添加剂，但不象实例1和2中一样有那样高的浓度，使得第二表面的平面对准表现得无效，并且/或者，该设备可以和实例2中一样包含电极，用于提供跨越涂层厚度的电场。实例5：

一个包含二向色添加剂的液晶材料涂层夹在第一和第二衬底之间，第一衬底具有一个能提供方位双稳表面对准的表面起伏模式，第二表面包含一个经过处理的表面，该表面能支持等向性对准。不管第一衬底的对准方向如何，从一个衬底到另一个衬底的对准方向上存在扭曲，因此，该设备两个状态的能量大概或充分相等(由第一衬底上对准间的能量关系决定)。

或者，和实例1和2一样，液晶材料可以包含一个光滑表面添加剂，但其程度不至于使第二表面的对准呈现无效，并且/或者，该设备可以和实例2中一样包含电极，用于提供跨越涂层厚度的电场。

在实例1到5的每一个中，第一衬底的两个最佳方位对准最好互成90度。实例6：

尽管实例1到5结合了方位双稳衬底，其中结合了一个天顶双稳衬底表面1，其类型一般是结合图1已举例说明的类型，第二衬底一般是等向性对准。通过裁剪光栅的峰-底比例(特别是利用一个相对浅的光栅，尽管这还取决于所讨论的设备和液晶的其它参数)，有可能获得图8中所显示的一个能量分布，其中，平面状态是稳定的，但只需一个低的触发能量E，就能转换到等向性状态。需要注意的是，光栅峰-底比例并非低得使平面状态总体呈现非稳定性。液晶材料插入了一个二向色染料。

通常，该设备停留在图9(a)所示的等向性对准。可以使用一个电场或电压脉冲将双稳衬底1表面的对准转换到平面对准，图9(b)。这一平面对准趋向于以一个速率(除其它因素外，该速率还由激励能量E决定)放松到图9(a)的等向性对准，并且，在该速率足够低的地方，通过使用偏振光线L，该设备的选定区域可被强制更快地转换，图9(c)，从而向液晶材料施加一个扭矩。因此，可以在该设备上写一个临时的图像，可以用一个合适的速率重复刷新该图像。

在平面状态，液晶分子正交于刻槽。入射到液晶上并被线偏振到与刻槽正交方向上的光线被二向色染料吸收，从而提供一个对液晶分子的扭矩，将它们推离偏振方向。因此，被如此照明的液晶将落入能量有利的等向性方位。

在该实例的变化中，表面2可以提供一个具有高或低的预定坡度的平面方位，并且/或者，它可以是另一个光栅表面。也可以使用任何非线性的变化，例如圆偏振，照明。实例7：

该实例类似于实例6，不过其中的光栅更深，从而翻转了能级并使平面状态在能量上更有利。该实例中组合使用了电学和光学寻址，以便将所选定的区域转换到更高能量的等向性状态，其中的电场低于没有照明时转换的阈值。在这种情况下，等向性状态是亚稳态的并松弛到平面状态。到平面状态的强制转换需要轴外照明。可以利用一个空白电脉冲在整个液晶涂层上得到平面状态。实例8：

实例6和7代表天顶双稳设备的极端例子，如以前所提到的，平面状态有时涉及一个高的倾斜度或向列导向器中具有行缺陷的缺陷状态。还可以使用其它的光栅分布，它们能为两种类型的对准提供更加截然不同的能量槽，如图10所示，该图总体上与图1类似。在这种情况下，推荐结合使用电学和光学定位，即，电场可被用于从一个(平面)状态A转换到状态B，在该点，被照亮的区域会转换到(等向性)槽C(或者该过程可以从C到A反方向进行)。在撤销电场和照明后，未被照亮的区域将松弛到状态A。实例9：

该实例是实例8的变形，其中，通过局部加热而不是通过照明来最终推进到能量峰值。这种局部加热可通过一个染料或其它光吸收材料的光吸收来完成，例如，在液晶材料或光栅中。非二向色染料提供了一个不受偏振影响的设备，而液晶基片中适当对准的二向色染料呈现出随入射照明的偏振而变化的热效应。该设备的转换方向是由所施加电场的极性决定的，而不是由光线引起的扭矩决定的。

Claims (43)

1.一个液晶设备，包含与一个衬底的表面相接触的液晶材料，所述表面支持至少第一和第二稳定或亚稳定的液晶对准，这些对准具有各自的第一和第二不同方向，并包含开关装置，用于引起该液晶材料在所述对准之间转换，其中的所述开关装置包含第一能量供应装置，用于对所述设备进行光学照射。

2.权利要求1中的一个设备，其中所述的第一能量提供装置用于提供具有一个偏振方向和选定或可选光谱分量的线偏振光，以便有效地使第一和第二对准中的一个对准在能量上不如另外一个对准有利。

3.依照权利要求1的一个设备，其中所述的第一能量提供装置用于提供具有一个偏振方向和选定或可选光谱分量的线偏振光，以便有效地在液晶分子上产生一个扭矩，从而在第一和第二对准之间改变液晶对准。

4.权利要求2和3中的一个设备，其中的液晶材料不包含二向色添加剂，并且所述光谱分量包含液晶材料的一个吸收带。

5.按照权利要求1到3中任一个的一个设备，其中的液晶材料包含一个液晶基片中的二向色添加剂。

6.权利要求5中的一个设备，其中的所述光谱分量包含二向色添加剂的一个吸收带。

7.权利要求5中的一个设备，其中的所述光谱分量包含液晶基片的一个吸收带。

8.按照权利要求2到7中任一个的一个设备，其中的所述开关装置还包括第二能源装置，用于协助液晶材料在所述对准之间转换。

9.权利要求8中的一个设备，其中第二能源用于向液晶材料提供能量，以使现有的液晶对准不稳定。

10.权利要求8或9中的一个设备，其中来自所述第二能源的能量引起衬底上的一个等向性对准。

11.权利要求8或9中的一个设备，其中来自所述第二能源的能量引起衬底上的一个平面对准。

12.符合权利要求8到11中任一个的设备，其中的所述第二能源是由一个电场提供的。

13.符合权利要求8到12中任一个的设备，其中的所述第二能源促进液晶材料在所述对准之间的所述转换，但它自身不足以引起所述转换。

14.权利要求1中的一个设备，还包括第二能源，用于协助液晶材料在所述对准之间转换。

15.权利要求14中的一个设备，其中的所述第二能源用于决定要采用所述对准中的哪一个。

16.权利要求15中的一个设备，其中所述第一能源与该设备合作，通过光吸收产生热量，以便与所述第二能源共同引起所述转换。

17.权利要求15或16中的一个设备，其中来自所述第二能源的能量是可选择的，例如支持衬底上的一个同向性对准。

18.符合权利要求15到17中任一个的设备，其中来自所述第二能源的能量是可选择的，例如试图引入衬底上的一个平面对准。

19.符合权利要求14到18中任一个的设备，其中所述第二能量是由一个电场提供的。

20.符合前面任一个权利要求的设备，其中的液晶材料包含一个低聚物，用于减少第一和第二对准之间的能量。

21.符合前面任一个权利要求的设备，其中的第一能源用于局部照射该设备。

22.符合前面任一个权利要求的设备，其中第一对准是平面对准。

23.符合前面任一个权利要求的设备，其中第二对准是平面对准。

24.符合权利要求1到22中任一个的设备，其中第二对准是等向性对准。

25.一种方法，用于控制与一个衬底表面相接触的液晶材料的对准，该衬底表面支持至少第一和第二稳态或亚稳态的液晶对准，它们具有各自的第一和第二不同方向，该方法包括可选择地照射所述装置的步骤。

26.权利要求25的方法，其中所述可选择地照射的步骤包括提供线偏振光线。

27.权利要求26的方法，其中的线偏振光线能有效地在液晶分子上施加一个扭矩，或有效地旋转液晶分子。

28.权利要求27的方法，其中所述可选择地照射的步骤包括提供非偏振光线。

29.权利要求28的方法，其中的非偏振光线能在液晶材料中产生热量。

30.符合权利要求25到28中任一个的一种方法，该方法包含附加的步骤，即，向该设备提供另一个能量输入，以便控制对准。

31.权利要求30的方法，其中的另一个能量输入是一个电场。

32.权利要求30或31中的方法，其中，在中止附加能量输入之后，继续光学照射。

33.权利要求30或31中的方法，其中，在中止光学照射之后，继续附加能量输入。

34.符合权利要求30到33中任一个的一种方法，其中的附加能量输入是局部施加的。

35.符合权利要求25到34中任一个的一种方法，其中的光照是局部施加的。

36.符合权利要求25到35中任一个的一种方法，其中的一个所述对准是平面对准。

37.权利要求36中的方法，其中的另一个所述对准是平面对准。

38.权利要求36中的方法，其中的另一个所述对准是等向性对准。

39.符合权利要求25到38中任一个的一种方法，包括在液晶相位中提供一个低聚物的步骤。

40.一个显示器，包含符合权利要求1到24中任一个权利要求的设备。

41.一个包含多个光学设备的光学系统或显示器，所述设备中至少一个是符合权利要求1到24中任一个权利要求的设备。

42.符合权利要求41的一个光学系统，其中多个所述设备中的每一个都符合权利要求1到24中的任一个。

43.符合权利要求42的一个系统，其中所述多个设备平铺在一个公共平面上。

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